填料類型對(duì)MBBR啟動(dòng)及運(yùn)行效能的影響

劉輝

摘 要：通過實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)兩種不同的填料的廢水處理能力進(jìn)行研究。將A、B兩種填料分別放入兩個(gè)不同的生物膜反應(yīng)器（MBBR）中，并對(duì)其處理能力進(jìn)行觀察，包括水質(zhì)、形貌、特征等等方面。經(jīng)過一系列的試驗(yàn)證明，A填料的各方面性能要優(yōu)于B填料，更適用于生物膜反應(yīng)器。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器；填料；廢水處理；起動(dòng)；運(yùn)行效能

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）21-0069-03

Abstract： Through experiments， the wastewater treatment capacity of two different fillers was studied. The A and B fillers were put into two different moving-bed biofilm reactors （MBBR）， and their treatment capacity was observed， including water quality， morphology， characteristics and so on. Through a series of experiments， it is proved that the performance of packing A is better than that of packing B， and it is more suitable for the biofilm reactor.

Keywords： moving bed biofilm reactor； packing； wastewater treatment； starting； operation efficiency

引言

MBBR屬于一種新型生物膜反應(yīng)器，較傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，具有更高的靈活性。生物填料具有多種應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，更適用于MBBR，可以提升儀器的處理效率，降低機(jī)器堵塞現(xiàn)象的發(fā)生幾率，可以處理多種類型的廢水[1]。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)裝置為兩個(gè)移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器，分別為R1、R2。在兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)部分別設(shè)置不同的填料A和填料B，按照30%填充率放料。為了保證試驗(yàn)的精準(zhǔn)性。填料的規(guī)格一致，填料A的密度為1，孔隙率為92%，填料B的密度為0.96，孔隙率為90%。

本次試驗(yàn)的時(shí)間為100d，總共有兩個(gè)試驗(yàn)階段，按照進(jìn)水濃度差進(jìn)行劃分。試驗(yàn)開始時(shí)間為6月16日，前40為第一階段，其進(jìn)水的COD在500mg/L左右，后60天為第二階段，進(jìn)水COD提升到750mg/L。為了消除其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本次試驗(yàn)中所有條件相同，方便試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析。其中試驗(yàn)溫度控制在25°，PH值控制在7.0。

1.2 接種污泥及配水

先進(jìn)行掛膜操作，本試驗(yàn)采取排泥法。準(zhǔn)備好接種用的污泥，起動(dòng)MBBR以后，將污泥放入運(yùn)行中反應(yīng)器，污泥的濃度控制在3000mg/L，并持續(xù)的悶曝1d。然后將所有接種污泥排出反應(yīng)器，即完成了反應(yīng)器的掛膜。試驗(yàn)中還需要進(jìn)行廢水的模擬，主要是以葡萄糖為主要模擬材料，并且采取手動(dòng)添加的方式，按照廢水中各種微量元素的比例進(jìn)行廢水的模擬。

1.3 分析方法

在MBBR運(yùn)行的過程中，主要分析常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)、生物膜形貌、生理生化特征三方面內(nèi)容。在進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)的分析時(shí)，對(duì)于不同的指標(biāo)選擇不同的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，其中COD、NH+4、-N、TN幾種指標(biāo)按照國(guó)家要求測(cè)定即可，對(duì)于剩下的指標(biāo)則使用專業(yè)儀器測(cè)定，其中DO使用溶氧儀進(jìn)行測(cè)定，pH值則使用pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定。在對(duì)生物膜進(jìn)行分析時(shí)，不但用進(jìn)行形貌的分析，還要進(jìn)行粗糙度的分析，分別使用不同的顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)分析。在對(duì)生理生化特征進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，使用熱減法提取EPS[2]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同填料的出水水質(zhì)比較

2.1.1 COD

在實(shí)驗(yàn)的第一階段中，COD濃度在500mg/L，隨著試驗(yàn)時(shí)間的推移，去除能力也會(huì)隨著上升，在達(dá)到一定值后區(qū)域穩(wěn)定。兩個(gè)反應(yīng)器因?yàn)樘盍系牟煌瑫?huì)呈現(xiàn)出不同的COD去除率，本次試驗(yàn)主要是對(duì)穩(wěn)定的COD去除能力合理對(duì)比。反應(yīng)器R1在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)出持續(xù)上升的狀態(tài)，最高的去除率可以達(dá)到99.1%，并在25d以后達(dá)到94%以上的穩(wěn)定去除率。反應(yīng)器2則完全不同，在前3d去除率持續(xù)上升，并在之后呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，最高處可以達(dá)到98.9%，最低處為84.3%，具有不穩(wěn)定性。

在試驗(yàn)的第二階段中，COD的濃度提升為750mg/L，并在試驗(yàn)的后期提升反應(yīng)器的工作負(fù)荷，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，可以明顯看出R1的處理效果更高。在濃度改變的過程中，兩個(gè)反映器都會(huì)出現(xiàn)性能下降的問題，這是個(gè)自然現(xiàn)象，主要原因是生物膜的正常變化引起的。根據(jù)兩個(gè)階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出R1的COD去除能力更高，最終可以達(dá)到92.2%左右的去除率，變化的波動(dòng)較小，而R2則具有不穩(wěn)定性，去除率始終波動(dòng)較大[3]。

綜合兩次事宜按結(jié)果，可以明顯看出R1的COD去除性能更高，具有更高的穩(wěn)定性和抗沖擊性。在實(shí)驗(yàn)的初期，R2的去除能力較高，但是隨著時(shí)間的推移，呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)。除此之外，本次試驗(yàn)還對(duì)兩種填料的流化效果進(jìn)行觀察，根據(jù)觀察明顯看出R1的流化效果更高。R2則出現(xiàn)堆料的問題，導(dǎo)致填料在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)不暢，出現(xiàn)了死水區(qū)。

根據(jù)已有的研究表明，填料的密度接近水，并且表面積更大的填料性能更高，具有更強(qiáng)的除污能力。填料的去污能力和填料的表面粗糙度和孔隙率有著直接關(guān)系，呈現(xiàn)出正比關(guān)系。如果填料的密度接近水，并且具有理想的孔隙率，則會(huì)具有較高的過水性能，可以為生物膜的生長(zhǎng)提供便利，反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)本不會(huì)出現(xiàn)堵塞問題。在試驗(yàn)的初期階段，這種表現(xiàn)更為明顯，在生物膜完成生長(zhǎng)、代謝等等環(huán)節(jié)以后，就會(huì)趨于穩(wěn)定。

2.1.2 NH+4-N與TN

微生物上面具有多種微生物群體，并且由于氧氣分布不均的原因，會(huì)分為兩個(gè)菌群分布區(qū)域，分別為好氧區(qū)和厭氧區(qū)，這也為后面的反應(yīng)提供了便利的創(chuàng)所。在第一個(gè)試驗(yàn)階段，進(jìn)水NH+4-N為18.26mg/L左右，TN為29.04mg/L左右，在第二個(gè)試驗(yàn)則變?yōu)檫M(jìn)水NH+4-N為36.64mg/L左右，TN為39.82mg/L左右，還提升了試驗(yàn)負(fù)荷[4]。

在試驗(yàn)進(jìn)行到3d時(shí)，R1和R2的氨氮去除率分別為41.4%和40.6%，總氮去除率分別為47.9%和35.9%。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，反應(yīng)器內(nèi)生物膜逐漸趨于穩(wěn)定，去除能力有著較大的提升。在22d以后，可以看出R1的氨氮去除能力更高，而總氮的去除能力則差異不大。在進(jìn)入到第二個(gè)實(shí)驗(yàn)階段時(shí)，將進(jìn)水負(fù)荷持續(xù)提升，R1的效果仍然要優(yōu)于R2，可以看出R1的穩(wěn)定性能更高，且在進(jìn)水負(fù)荷持續(xù)上升的情況下，反應(yīng)器1仍然能夠穩(wěn)定的處理氨氮和總氮，說(shuō)明R1的抗沖擊性能較高。生物膜在持續(xù)一段時(shí)間后，必然會(huì)出現(xiàn)脫落和重新生長(zhǎng)的現(xiàn)象，對(duì)反應(yīng)器的去除能力產(chǎn)生了一定的影響，兩個(gè)反應(yīng)器都呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)。

本次試驗(yàn)使用兩種填料A、B，其中A填料的密度與水相似，不會(huì)對(duì)水和空氣產(chǎn)生阻礙，在相同的運(yùn)行添加下，A填料在水中的流動(dòng)性更好，可以加快反應(yīng)器中的反應(yīng)，提升了整個(gè)反應(yīng)器的生化速度。在試驗(yàn)的前期，R1的生物膜生長(zhǎng)更快，具有更高的除污能力，且R1中的菌落更加復(fù)雜多樣，具有更大的孔隙率。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，兩種反應(yīng)器的處理性能差不多，但是在生物膜出現(xiàn)變化時(shí)，R1的抗沖擊性更強(qiáng)，R2則受到?jīng)_擊出現(xiàn)去除率的劇烈變化，兩種反應(yīng)器的生長(zhǎng)周期差異較大，綜上所述R1的氨氮和總氮處理穩(wěn)定性更高，可以適應(yīng)高負(fù)荷的工作狀態(tài)。

2.2 生物膜厚度及形貌差異

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)中生物膜厚度的觀察記錄發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器R1要遠(yuǎn)高于R2，并且具有相近的生長(zhǎng)變化趨勢(shì)。在第一個(gè)試驗(yàn)階段，R1先掛膜，并且基本保持著高于R2的生長(zhǎng)速度，最高是可以達(dá)到R2的數(shù)倍。在第二個(gè)試驗(yàn)階段，已經(jīng)趨于穩(wěn)定的生物膜會(huì)脫落并更新，兩個(gè)反應(yīng)器的生物膜厚度都會(huì)隨之發(fā)生變化，呈現(xiàn)為先下降后上升的狀態(tài)。兩個(gè)反應(yīng)器生物膜最厚的時(shí)間點(diǎn)不同，分別為82d和96d，其中R1的最大值為219.1μm，R2的最大值為188.3μm。A填料具有更高的孔隙率，在加入到反應(yīng)器以后，會(huì)更快的流動(dòng)反應(yīng)，填料中的微生物具有更快的生長(zhǎng)代謝速度，可以快速生長(zhǎng)出生物膜。除此之外，在細(xì)菌接觸到生物膜時(shí)，會(huì)分泌一些粘結(jié)物質(zhì)，進(jìn)而增加生物膜厚度[5]。

2.3 粘附力、粗糙度和形貌

2.3.1 粘附力

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，R1的粘附力更強(qiáng)，主要受其機(jī)構(gòu)的影響，具體的粘附力為9.6nN。根據(jù)對(duì)已有研究查閱發(fā)現(xiàn)，TB-EPS內(nèi)部的有機(jī)大分子結(jié)合緊密，并且牢固的粘在細(xì)胞壁上面，很難出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象。而LB-EPS則處在最外層，流動(dòng)性較高，容易隨著周邊環(huán)境出現(xiàn)變化，可能呈現(xiàn)為向后邊擴(kuò)散的情況，具有更為松散的結(jié)構(gòu)。為此，可以看出R1的粘附力與其含有的TB-EPS含量有關(guān)，含量越高粘附力也越高。多糖對(duì)于生物膜有著直接影響，根據(jù)試驗(yàn)得知兩種填料的多糖含量基本一致。R2的粗糙度要高于R1，主要是由于形貌的變化，試驗(yàn)中R1的附著力更高，大量的EPS覆蓋在生物表面，降低間谷高度，進(jìn)而降低粗糙度。

2.3.2 生物膜形貌

在對(duì)生物膜形貌觀察時(shí)，主要根據(jù)試驗(yàn)后期的數(shù)據(jù)，在第二試驗(yàn)階段中，生物膜才會(huì)出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象，在此時(shí)進(jìn)行形貌的觀察可以發(fā)現(xiàn)，R1表面上的EPS更多，并且覆蓋在生物膜表面，填充了微生物谷之間的空缺，進(jìn)而降低了整體的谷高。而R2缺乏EPS，具有更大的粗糙度，這與上面的研究相符，在結(jié)合兩個(gè)反應(yīng)器中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化，可以看出R1具有更多的EPS，可以更快的形成生物膜。

2.4 生物膜活性分析

2.4.1 蛋白質(zhì)和多糖

在試驗(yàn)的初期，R2的蛋白質(zhì)和多糖含量更高，隨著反應(yīng)器逐漸趨于穩(wěn)定，R1的含量開始超過R2。并且在后期要高于R2。經(jīng)過對(duì)兩種填料自身性質(zhì)的分析認(rèn)為，這種變化主要是由于A填料的孔隙率較高造成的。隨著COD濃度的逐漸升高，兩個(gè)反應(yīng)器都會(huì)呈現(xiàn)出蛋白質(zhì)下降趨勢(shì)，在負(fù)荷增加的情況下，增加了可用基質(zhì)，進(jìn)而提升了細(xì)菌的增長(zhǎng)效率。

R1內(nèi)的多糖含量前期呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，后期則出現(xiàn)先下降再回升的狀態(tài)，并且和R2的多糖含量基本一致。雖然兩種反應(yīng)器的多糖含量在穩(wěn)定后基本一致，但是R2的多糖增加速度稍緩，具有一定的滯后性。

2.4.2 脫氫酶活性

脫氫酶屬于一種還原酶，對(duì)機(jī)制具有一定的刺激能力，其活性可以作為除污能力的處理指標(biāo)之一。兩種填料的活性會(huì)隨著時(shí)間推移不斷下降，其中R1的活性要明顯高于R2，主要是因?yàn)锳填料的孔隙率更高，所以具有更好的掛膜效果。在試驗(yàn)的后期，兩種填料的活性都會(huì)大幅度下降，其中R1處理器中脫氫酶活性降到原值的52.6%，而R2處理器中脫氫活性酶則會(huì)降到原值的33.3%。綜上所述，雖然兩種處理器中的活性都會(huì)不斷下降，但是總體上R1的活性更高，具有更高的微生物分解污染物能力。

3 結(jié)論

本文主要通過試驗(yàn)的方式對(duì)兩種填料性能進(jìn)行對(duì)比分析，并且發(fā)現(xiàn)A填料的各方面性能更高，更適用于MBBR反應(yīng)器。本次試驗(yàn)主要有四方面內(nèi)容，首先對(duì)出水水質(zhì)進(jìn)行比較分析，包括COD、NH+4-N、TN去除能力的對(duì)比，R1具有更高的穩(wěn)定性和抗沖擊能力，在更高的工作負(fù)荷下，都可以保證去除的穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。其次，對(duì)生物膜厚度及形貌進(jìn)行研究分析，由于A填料的孔隙率更高，所以具有更好的流化效果，進(jìn)而具有更高的生物膜厚度。再次，對(duì)粘附力、粗糙度進(jìn)行研究對(duì)比，由于填料A具有更高的EPS含量，為此生物膜的更新更快。最后對(duì)生物膜的活性對(duì)比分析，包括蛋白質(zhì)、多糖、脫氫酶活性三部分內(nèi)容。其中R1的蛋白質(zhì)含量更高，主要是由于孔隙率決定，而兩種多糖含量基本一致，但是填料B具有一定的滯后性。可以看出，填料A的各方面性能更高，更適用于與MBBR。

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